二氧化硅氣凝膠是具有三維骨架結構的開孔納米材料，具有低密度、低熱導率、高孔隙率、高比表面積等優異特性。二氧化硅氣凝膠復合材料克服了二氧化硅氣凝膠因高孔隙率導致機械強度低的缺陷，現已在諸多領域得到廣泛應用。得益于二氧化硅氣凝膠的絕熱、隔音、阻燃等性能，其復合材料在高速列車輕量化、噪聲控制、綜合節能和安全防火等方面應用前景廣闊。

二氧化硅氣凝膠是以氣體為分散介質的高孔隙率無機輕質納米材料，本身的結構決定其同時具備多種獨特優異性能，如低密度、高孔隙率、高比表面積、低折射率、低熱導率和低介電常數等。二氧化硅氣凝膠在實際應用中呈現出質脆和力學性能差的缺陷，且二氧化硅氣凝膠因表面含有大量的Si—OH 而呈親水性，吸濕或吸水后易造成骨架結構膨脹與破裂，所以不能單獨使用。為了使氣凝膠的優異特性得到更好的應用，可采用多種工藝（浸泡法、混雜壓制成型、沉積法等）將二氧化硅氣凝膠加工成復合制品，這些復合材料以超低的導熱系數、無機材料的安全性能，以及極佳的憎水和耐久性能，成為材料領域的新星。近年來我國高速列車飛速發展，氣凝膠的使用為車輛輕量化、噪聲控制、綜合節能等技術的突破提供了新材料支撐，現已初步應用在高速列車上。

目前氣凝膠領域中二氧化硅氣凝膠的研究最多，其生產和制造工藝相對成熟，也是應用最多的氧化物氣凝膠。研究者們在前驅體、催化劑、老化工藝、表面改性和干燥工藝的研究選擇上不斷嘗試，最終得到由Si—O—Si 鏈高度交聯，以氣體為介質具有三維骨架結構的開孔納米固體材料。表1 顯示了二氧化硅氣凝膠的典型性能參數及應用。

表2?二氧化硅氣凝膠與普通多孔材料傳熱方式對比

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圖1 二氧化硅氣凝膠與傳統多孔隔熱材料絕熱性能對比

二氧化硅氣凝膠可以作為一種輕質隔音材料應用于高速列車上。當聲波穿過孔隙時，由于空氣與骨架之間的摩擦，聲能轉化為熱能。同時聲波在孔隙中來回反射，引起柔性二氧化硅氣凝膠骨架的弦振動，導致能量內部消耗，降低聲壓強度，達到了降噪的效果。二氧化硅氣凝膠極高的孔隙率使其具有比普通多孔材料高數十倍的吸聲效果。與此同時，疏水二氧化硅氣凝膠具有良好的熱穩定性和抗腐蝕性，在高溫和惡劣的環境中仍具有良好的吸聲性能。目前，常用的吸音材料如石棉、毛氈等在環保、防水、防火和輕量化方面均存在局限性。二氧化硅氣凝膠可用作兼具減振降噪和吸聲能力的輕質隔音材料。

二氧化硅氣凝膠骨架由 Si、O元素鍵合構成— O—Si 三維網絡組成，本身具有較好的阻燃性能。但二氧化硅氣凝膠本身親水，吸收空氣中的水分后，綜合性能下降，所以工程上應用的都是表面改性過的疏水氣凝膠。為了保證二氧化硅氣凝膠使用可靠性，一般通過改變前驅體和添加阻燃劑等措施來提高其阻燃性能，結合熱穩定性分析和可燃性研究可以得出如下結論：以硅酸鈉為前驅體，引入磷酸等磷化合物，可以提高疏水性二氧化硅氣凝膠的阻燃性。

二氧化硅氣凝膠復合材料可分為4大類：摻雜型硅基氣凝膠復合材料、涂層型硅基氣凝膠復合材料、互穿網絡型硅基氣凝膠復合材料以及組合型硅基氣凝膠復合材料，微結構示意見圖2。組合型硅基氣凝膠絕熱復合材料是將第二相材料以摻雜、涂層或互穿網絡的形式組合在一起，以發揮３種復合改性材料的優點，克服缺點，形成綜合性能更佳、適用性更好的復合材料。

圖2 二氧化硅氣凝膠復合材料的微結構示意圖

高速列車因運行環境變化大、時速高、廂體夾層空間狹小，設計時青睞于高性能（如保溫隔熱、防火防爆、減振吸能、隔音降噪等）材料。二氧化硅氣凝膠復合材料具有輕質、絕熱、隔音、阻燃、疏水以及環保等優異性能，在未來高速列車車體優化設計中具有廣泛的潛在應用價值。目前主要的二氧化硅氣凝膠復合制品有絕熱板、絕熱氈、涂料、膜、顆粒、紙和異形件等，部分復合制品如圖3 所示。

圖3 二氧化硅氣凝膠復合制品

二氧化硅氣凝膠復合涂料通過利用二氧化硅氣凝膠不同的特性，并添加顏填料、助劑等使其具備不同的功能。圖4（a）是納米孔隙結構的二氧化硅氣凝膠粉體與耐高溫黏結劑體系復合制備而成的阻尼膠，將其涂覆于高速列車車體結構金屬板表面，如圖4（b）所示。當金屬板受到激發而產生彎曲振動時，其振動能迅速傳遞給緊密貼合的阻尼涂料，阻尼涂料通過內部相應錯動和摩擦，使振動能量變為熱能而損耗，起到減振降噪的作用。將二氧化硅氣凝膠分散在專用高性能樹脂乳液中可以制備水性涂料，其性能參數如下：熱導率?0. 031 W/(m·K)，密度 120 kg/m3，阻燃性 V0?級，附著力 1. 2 MPa，憎水率不低于 98%。涂料被有效應用在高速列車車體上，可以達到結構減振降噪、隔熱和表面防護的目的，實現冬夏季隔熱保溫，降低空調能耗等作用。圖5 是鋼結構用氣凝膠防火涂料燃燒前后對比。此涂料厚度為3. 0 mm 時，耐火極限時間達2 h（一般防火涂料厚度需要3. 5 mm）；與鋼板、鋁板等金屬材料附著力強，黏結強度大于1. 0 MPa；燃燒后金屬板材不變形、不燒蝕，被應用于高速列車的承重鋼結構件保護，?可有效阻止火勢失控蔓延。

圖4 二氧化硅氣凝膠隔熱阻尼膠及其應用

圖5 隔熱阻燃涂料燃燒前后形貌對比

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市場上現有的二氧化硅氣凝膠復合卷材熱導率是傳統材料的 1/5~1/3，有效減小隔熱層厚度，熱導率隨溫度上升而增加的趨勢非常緩慢。防火等級可達建筑材料A 級，在火焰下不產生煙霧、熔滴物和有害氣體，憎水率不低于 99. 8%，吸濕率不高于?0. 5%，具有極強的防水性能，可以避免材料因進水而沉降的問題，即使長期使用也無需更換，具有良好的抗熱沖刷能力，可以任意裁剪，安裝使用方便。生產廠家一般能根據客戶需求對產品規格進行定制，二氧化硅氣凝膠保溫氈技術參數如下：熱導率0.017W/(m·K)，密度160kg/m3，抗拉強度1. 409 MPa，憎水率99. 9%。圖6 是某高速列車將5 mm 厚二氧化硅氣凝膠絕熱氈應用到平頂區的防寒材結構，采用封閉涂層處理工藝，不僅減小了結構體積和質量，而且提高了防寒降噪效果。

二氧化硅氣凝膠與玻璃纖維、陶瓷纖維或者碳纖維等復合后得到氈類制品，雖隔熱效果較好，但是表面纖維容易斷裂、粉化，造成浮纖或粉末污染。為解決該問題，可將氣凝膠復合層的外部覆蓋一層更高強度、高韌性的材料，如膨體聚四氟乙烯和阻燃聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維的復合層，如圖7 所示。

圖6 二氧化硅氣凝膠絕熱氈在高速列車中的應用

圖7 新型二氧化硅氣凝膠隔熱氈

來源：復合材料體驗館

原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：二氧化硅氣凝膠復合材料在高速列車領域的應用！